一種懸臂式車用液壓尾板的設(shè)計

王海濤　閆晨陽　于眾　王建廣　寧欣

摘 要：設(shè)計了一種懸臂式車用液壓尾板，介紹了尾板的運行原理及組成部件，利用三維設(shè)計軟件Solidworks進行了三維建模，將模型簡化后導入有限元分析軟件Ansysworkbench進行了最大應力及位移分析，并對尾板液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)進行了設(shè)計。

關(guān)鍵詞：液壓尾板 承載平臺 有限元分析 液壓控制系統(tǒng) 電控系統(tǒng)

1 前言

在我國公路運輸因其適應性廣、覆蓋地區(qū)廣、類型多等特點，其在貨運行業(yè)中占領(lǐng)著較大的體量。隨著十四五期間中國公路交通基礎(chǔ)建設(shè)相關(guān)政策的支持，全國公路基礎(chǔ)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展，極大的滿足了我國公路貨運日益增加的需求，為全國經(jīng)濟快速發(fā)展保駕護航。在公路運輸車輛裝卸貨物時，特別是大質(zhì)量貨物，單人作業(yè)時往往非常不便。在此前提下為了降低公路運輸車輛裝卸貨物時操作者的勞動強度、提高裝卸效率車用液壓尾板應運而生。車用液壓尾板是安裝于卡車、貨車和各種公路運輸車輛尾部的一種以車載蓄電池為動力的液壓舉升裝置。可大幅度提高公路車輛對貨物的運輸及裝卸效率，節(jié)省成本，是現(xiàn)代化公路運輸?shù)谋貍湓O(shè)備之一。車用液壓尾板可廣泛使用于郵政、金融、石化、商業(yè)、食品、物流、制造等各行業(yè)。隨著《車用起重尾板安裝與使用技術(shù)要求》（GB/T 37706-2019）國家標準的發(fā)布以及交通運輸部、工業(yè)和信息化部、公安部、市場監(jiān)管總局關(guān)于做好《車用起重尾板安裝與使用技術(shù)要求》貫徹實施工作的通知的下發(fā)，進一步規(guī)范了尾板安裝使用，在制度層面促進了尾板安裝的合規(guī)合法化。本文設(shè)計了一種針對重卡車型適用的車用液壓尾板。

2 車用液壓尾板的典型結(jié)構(gòu)型式、機構(gòu)原理及組成部件

2.1 尾板升降機構(gòu)典型結(jié)構(gòu)

目前市面上主流車用液壓尾板升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式主要有懸臂式、垂直升降式、折疊式。

各結(jié)構(gòu)形式液壓尾板圖示如下：

懸臂式車用液壓尾板對車輛改裝要求不高，對各種車型適應性強。內(nèi)部結(jié)構(gòu)舉升裝置大多采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，在承載貨物過程中運行平穩(wěn)，額定載重量大、結(jié)構(gòu)可靠性強、故障率低。同時尾板承載平臺可替代車輛尾門或尾箱板，與整車集成度高，降低車輛整備質(zhì)量[1]。故本文所示車用液壓尾板結(jié)構(gòu)采用懸臂式，對其進行設(shè)計研究。

2.2 機構(gòu)原理

根據(jù)市面上主流重卡車型基本參數(shù)，初選車用液壓尾板舉升高度1500mm，尾板額定載荷1.5t。如圖2所示：桿AB、CD、舉升架BD、及機架AC構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)，通過改變液壓缸FE長度實現(xiàn)平行四邊機構(gòu)繞A點的圓周運動，舉升架BD托舉承載平臺GH，實現(xiàn)承載貨物的舉升[2]。取液壓尾板的舉升高度為1500mm，額定載重量為1.5t作為初設(shè)已知參數(shù)。由圖中可以看出，承載平臺舉升過程中，液壓缸擺動角度較小。故此類液壓尾板結(jié)構(gòu)尺寸對整車車身縱向增長量影響不大，對車輛改裝適應性較強。

2.3 受力分析

因液壓尾板沿車身縱向平面左右對稱，故轉(zhuǎn)化為平面機構(gòu)。僅需選擇單側(cè)進行受力分析即可。取桿AB為研究對象，根據(jù)經(jīng)典力學可得舉升開始階段桿AB受力Fb最大：其中Fa為承重載荷，F(xiàn)b為液壓缸支撐力，對A點取矩列力矩平衡方程：Fa×L1=Fb×L2式中L1=445mm、L2=89mm。Fa約15000N，求得Fb=75000N，即單個液壓缸支撐力必須大于37500N。

2.4 液壓缸設(shè)計

根據(jù)液壓尾板結(jié)構(gòu)特點選取單作用液壓缸作為尾板升降機構(gòu)主動件，結(jié)合目前市面上常見的齒輪泵規(guī)格，初選系統(tǒng)壓力Pa=14MPa、活塞桿直徑d=30mm，根據(jù)機械設(shè)計手冊相關(guān)資料d=D，式中D為液壓缸缸體內(nèi)徑。取D=70mm。計算單個液壓缸所提供舉升力：Ft=Pa×=43960N故滿足設(shè)計需求。根據(jù)公式求得液壓缸缸體壁厚δ≥4.45mm，取δ=6.5mm。結(jié)合舉升高度1500mm及機構(gòu)簡圖所示，當液壓尾板承重板面與地面貼合時，液壓缸FE長度1000.82mm，當液壓尾板承載平臺舉升至1500mm高度時，液壓缸FE長度656.2mm。故取液壓缸閉合尺寸645mm，行程360mm。完成液壓缸主要參數(shù)確定。

2.5 組成部件及運行

根據(jù)初設(shè)條件參數(shù)及計算參數(shù)，設(shè)計該液壓尾板結(jié)構(gòu)方案，如圖4所示：尾板主要由大立柱、舉升油缸、手搖絞盤、四連桿上、四連桿下、舉升架、承載平臺、電氣控制箱、液壓泵組等組成。其中承載平臺矩形框架由矩形鋼管焊接而成，表面蒙皮防滑菱形花紋鋼板，承載平臺與舉升架之間通過轉(zhuǎn)軸構(gòu)成旋轉(zhuǎn)副，將手搖絞盤鋼絲繩組件與承載平臺掛接，利用手搖絞盤可在90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)承載平臺，實現(xiàn)承載平臺的收放。大支架、舉升機橫截面為U形鋼板折彎件，重量輕便。U形大支架內(nèi)置液壓缸固定座，通過銷軸連接液壓缸，液壓缸嵌入U形大支架內(nèi)部，減小尾板裝車后車輛縱向尺寸增加量。大支架作為整個液壓尾板的機架與車輛車廂尾部立柱通過螺栓組連接。大支架、四連桿上、四連桿下、舉升架等構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)。液壓缸為單作用油缸，為平行四邊形機構(gòu)提供牽引力，實現(xiàn)承載平臺的上升動作。承載平臺的下降則依靠平臺及所裝載的貨物自重。液壓尾板在制成過程中可將連接板與左、右大支架焊接成H形，形成獨立機架后裝配液壓尾板其余機械零部件，承載平臺收起后利用插銷所將承載平臺與大支架固定，防止平行四邊形機構(gòu)展開。液壓尾板運輸至使用客戶處時，尾板機械部分可整體發(fā)運。這樣在尾板裝配至車輛時用戶利用起吊設(shè)備吊裝尾板至相應位置，利用螺栓組連接左、右大立柱，即可完成液壓尾板機械部分的安裝。降低了液壓尾板的裝配難度。

1承載平臺? 2舉升架? 3四連桿上? 4四連桿下? 5插銷鎖? 6大立柱? 7連接板? 8車廂立柱? 9車廂（部分）? 10動力總成? 11手動泵? 12電控箱? 13手搖絞盤? 14絞盤掛鉤

3 液壓尾板的三維建模與有限元仿真分析

3.1 三維建模

利用三維軟件Solidworks對液壓尾板各部分零部件進行三維建模。尾板三維模型如圖5所示。

3.2 有限元仿真分析

為驗證該設(shè)計方案的合理性，利用有限元仿真分析軟件Ansysworkbench，將Solidworks所繪制尾板三維模型導入，針對所選不同的矩形管、U形折彎板材進行了一定程度的結(jié)構(gòu)簡化。以實體單元solid186為基礎(chǔ)對計算模型進行網(wǎng)格劃分，對該結(jié)構(gòu)方案中承載平臺進行靜強度分析，對整個液壓尾板結(jié)構(gòu)進行運動瞬態(tài)分析[4]。

3.2.1 承載平臺強度靜態(tài)分析

固定約束承載平臺與舉升架底托接觸位

置，鉸支約束承載平臺翻轉(zhuǎn)位置，

在承載平臺中心處施加1.5t×110%

的載荷，承載平臺最大應力出現(xiàn)在

與舉升架接觸位置，大小為

142.7MPa。如圖6所示。

3.2.2 舉升運動瞬態(tài)分析

對液壓尾板升降機構(gòu)進行舉升運動瞬態(tài)分析，載荷及邊界條件如表1所示。

（1）機構(gòu)最大應力出現(xiàn)在油缸鉸接孔位置處，忽略應力集中點，最大平均應力為426.5MPa。舉升架最大應力出現(xiàn)在舉升托板與折彎板焊接位置，忽略應力集中點，最大應力為416MPa。大支架螺栓安裝孔處最大應力為159MPa。舉升運動瞬態(tài)應力分布云圖如圖7。

（2）舉升運動瞬態(tài)變形如圖8所示，其中機構(gòu)最大撓度為30.2mm，最大位移出現(xiàn)在承重板懸臂遠端。承載平臺端部位移為12.2mm，中部位移為20.2mm，翹曲變形量為8mm。四連桿最大變形量為8mm。

4 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計

結(jié)合舉升高度、額定承載重量、結(jié)構(gòu)形式，選用兩個單作用液壓缸作為執(zhí)行元件，選用齒輪泵提供液壓能。液壓缸有桿腔為工作腔，有桿腔充油時液壓缸活塞拉動平行四邊形機構(gòu)，承載平臺上升。當承載平臺需要下降時，液壓回路中兩位兩通常閉電磁閥得電，依靠承載平臺的自重承載平臺下降，液壓缸有桿腔內(nèi)液壓油被活塞壓回油箱。為了保證承載平臺運行平穩(wěn)，需保證兩缸同步工作，在液壓油路中配置分流馬達，齒輪泵提供的液壓油兩缸平均分配，壓力近似相等。由車載電源為齒輪泵電機供電，考慮到尾板使用過程中如車載電瓶匱電、齒輪泵損壞等突發(fā)情況，在整套液壓傳動系統(tǒng)中加裝手動泵，利用隨車工具人工驅(qū)動，提高液壓尾板的環(huán)境適應性。另考慮當車輛長期貯存時，為了保證承載平臺不發(fā)生下滑現(xiàn)象，在分流馬達和齒輪泵之間加裝單向球閥。車輛長期駐車時關(guān)閉單向球閥、切斷液壓回路，使液壓尾板具有液壓鎖止功能。液壓缸有桿腔內(nèi)液壓油在不發(fā)生泄漏、滲漏的情況下，可長期保持舉升平臺舉升位置[3]。液壓系統(tǒng)原理圖如圖9所示。

5 電控系統(tǒng)設(shè)計

因液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)在作用原理上通常是相同的，在具體結(jié)構(gòu)上也多半是合在一起的，目前廣泛使用開關(guān)控制系統(tǒng)來控制液壓系統(tǒng)。為了便于作業(yè)人員操作液壓尾板，整個液壓尾板配置3種操作模式，即電氣控制箱操作、有限手持開關(guān)操作、無線手持開關(guān)操作。電氣控制箱可裝配至車輛右后側(cè)，與整車大梁螺栓連接。電氣控制箱作為控制回路操作元件，控制齒輪泵組電機、兩位兩通電磁閥。實現(xiàn)液壓尾板的上升與下降。有線手持開關(guān)、無線手持開關(guān)與電氣控制箱等效，使用有線、無線手持開關(guān)操作液壓尾板，即便于控制液壓尾板承載平臺的上升、下降又便于對貨物舉升過程中是否傾倒、跌落等情況的觀察，同時使液壓尾板具有了在一定范圍內(nèi)遠程操作控制的能力。液壓尾板電氣原理圖如圖10所示。

6 結(jié)論

設(shè)計了一種基于平行四邊形機構(gòu)的懸臂式車用液壓尾板，利用Solidworks進行了三維建模，在Ansysworkbench下對尾板重要零部件：承載平臺、舉升機及四連桿上進行了應力分析，對整個液壓尾板進行了舉升瞬態(tài)分析，確定了最大應力、最大位移的位置及數(shù)值，可根據(jù)其進行關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計。同時對尾板液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。該設(shè)計方案（2個液壓缸）有別與市面上多液壓缸（一般為4缸）車用尾板，在一定程度上降低了制造成本。同時采用手搖絞盤實現(xiàn)承載平臺的翻轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)中搭載手動泵，這樣即使突發(fā)齒輪泵損壞，車用電瓶饋電等情況，液壓尾板也可依靠人力繼續(xù)應急使用。大大提升了車用液壓尾板的適應性。

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